История осциллографа

Ведущий раздел этой статьи , возможно , придется переписать . Используйте руководство по макету, чтобы убедиться, что раздел соответствует нормам Википедии и включает все важные детали. ( Ноябрь 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

История осциллографов восходит к первой записи осциллограмм с гальванометром , соединенным с механической системой вытяжки во втором десятилетии 19 - го века. Современный цифровой осциллограф является следствием развития осциллографов , электронно-лучевых трубок , аналоговых осциллографов и цифровой электроники в течение нескольких поколений .

Осциллограммы, нарисованные от руки [ править ]

Иллюстрация пошагового метода Жубера для построения измерений формы сигнала вручную. ^[1]

Самый ранний метод создания изображения формы волны заключался в трудоемком и кропотливом процессе измерения напряжения или тока вращающегося ротора в определенных точках вокруг оси ротора и регистрации измерений, выполненных с помощью гальванометра . Медленно перемещаясь вокруг ротора, можно нарисовать общую стоячую волну на миллиметровой бумаге, записав градусы вращения и силу измерителя в каждой позиции.

Этот процесс был впервые частично автоматизирован Жюлем Франсуа Жубером  [ фр ] с его пошаговым методом измерения формы волны. Он состоял из специального одноконтактного коммутатора, прикрепленного к валу вращающегося ротора. Точку контакта можно было перемещать вокруг ротора, следуя точной шкале градусного индикатора, и выход, отображаемый на гальванометре, должен быть нанесен техником вручную. ^[2] Этот процесс мог дать только очень грубую аппроксимацию формы волны, поскольку она формировалась за период в несколько тысяч волновых циклов, но это был первый шаг в науке о построении изображения формы волны.

Автоматический осциллограф, нарисованный на бумаге [ править ]

Схематический и перспективный вид больничного ондографа, в котором перо на бумажном барабане использовалось для записи изображения формы волны, созданного с течением времени, с использованием механизма привода синхронного двигателя и гальванометра с постоянным магнитом . [3] [4]

Первые автоматизированные осциллографы использовали гальванометр, чтобы перемещать ручку по свитку или барабану с бумагой, фиксируя волновые узоры на непрерывно движущемся свитке. Из-за относительно высокочастотной скорости сигналов по сравнению с медленным временем реакции механических компонентов, изображение формы сигнала не рисовалось напрямую, а вместо этого создавалось в течение определенного периода времени путем объединения небольших фрагментов множества различных сигналов, чтобы создать усредненная форма.

Устройство, известное как Hospitalier Ondograph, было основано на этом методе измерения формы волны. Он автоматически заряжал конденсатор от каждой сотой волны и разряжал накопленную энергию через записывающий гальванометр, причем каждый последующий заряд конденсатора снимался с точки, расположенной немного дальше по волне. ^[5] (Такие измерения формы волны все еще усреднялись по многим сотням волновых циклов, но были более точными, чем нарисованные вручную осциллограммы.)

Фотографический осциллограф [ править ]

Вверху слева: осциллограф Дадделла с подвижной катушкой с зеркалом и двумя поддерживающими подвижными катушками с каждой стороны от него, подвешенный в масляной ванне. Большие катушки с обеих сторон закреплены на месте и создают магнитное поле для движущейся катушки. (Постоянные магниты в то время были довольно слабыми.) Вверху по центру: вращающийся затвор и движущееся зеркало в сборе для размещения меток временного индекса рядом с шаблоном формы волны. Вверху справа: подвижная пленочная камера для записи формы волны. Внизу: пленочная запись искрения на контактах переключателя при отключении высоковольтной цепи. [6] [7] [8] [9]

Для того, чтобы позволить прямое измерение форм волн, в записывающем устройстве было необходимо использовать систему измерения с очень малой массой, которая может двигаться с достаточной скоростью, чтобы соответствовать движению реальных измеряемых волн. Это было сделано с разработкой Уильямом Дадделлом осциллографа с подвижной катушкой , который в наше время также называют зеркальным гальванометром . Это уменьшило измерительное устройство до небольшого зеркала, которое могло двигаться с высокой скоростью, чтобы соответствовать форме волны.

Чтобы выполнить измерение формы волны, фотографический слайд должен быть опущен мимо окна, где выходит световой луч, или непрерывный рулон кинопленки будет прокручиваться через апертуру для записи формы волны с течением времени. Хотя измерения были намного более точными, чем измерения на встроенных бумажных самописцах, все же оставалось место для улучшений из-за необходимости проявлять экспонированные изображения, прежде чем их можно будет исследовать.

Крошечное наклоняющееся зеркало [ править ]

В 1920-х крошечное наклонное зеркало, прикрепленное к диафрагме на вершине рупора, обеспечивало хороший отклик до нескольких кГц, возможно, даже 10 кГц. Несинхронизированная временная развертка обеспечивалась многоугольником вращающегося зеркала, и коллимированный луч света от дуговой лампы проецировал форму волны на стену лаборатории или экран.

Еще раньше звук, подаваемый на диафрагму на подаче газа в пламя, заставлял изменять высоту пламени, а многоугольник с вращающимся зеркалом давал раннее представление о формах волны.

Осциллографы с подвижной бумагой, использующие УФ-чувствительную бумагу и современные зеркальные гальванометры, обеспечивали многоканальные записи в середине 20-го века. Частотная характеристика находилась как минимум в низком звуковом диапазоне.

Изобретение CRT [ править ]

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) были разработаны в конце 19 века. В то время трубки предназначались в первую очередь для демонстрации и исследования физики электронов (тогда известной как катодные лучи ). Карл Фердинанд Браун изобрел осциллограф на ЭЛТ в 1897 году в качестве диковинки физики, подав колебательный сигнал на электрически заряженные пластины дефлектора в ЭЛТ с люминофорным покрытием. Лампы Брауна были лабораторным оборудованием, в котором использовался эмиттер с холодным катодом и очень высокое напряжение (порядка 20 000–30 000 вольт). Когда к внутренним пластинам применялось только вертикальное отклонение, поверхность трубки наблюдалась через вращающееся зеркало, чтобы обеспечить горизонтальную временную развертку. ^[10] В 1899 г.Джонатан Зеннек оснастил электронно-лучевую трубку пластинами, формирующими пучок, и использовал магнитное поле для обзора следа. ^[11]

Первые электронно-лучевые трубки применялись экспериментально для лабораторных измерений еще в 1919 году ^[12], но страдали от плохой стабильности вакуума и катодных эмиттеров. Применение термоэмиттера позволило снизить рабочее напряжение до нескольких сотен вольт. Western Electric представила коммерческую трубку этого типа, в которой для фокусировки электронного луча использовалось небольшое количество газа внутри трубки. ^[12]

В.К. Зворыкин в 1931 году описал герметичную электронно-лучевую трубку высокого вакуума с термоэлектронным эмиттером. Этот стабильный и воспроизводимый компонент позволил компании General Radio изготавливать осциллограф, который можно было использовать вне лаборатории. ^[11]

Первый двухлучевой осциллограф был разработан в конце 1930-х годов британской компанией ACCossor (позже приобретенной Raytheon ). ЭЛТ не был настоящим двухлучевым типом, но использовал разделенный луч, полученный путем размещения третьей пластины между вертикальными отклоняющими пластинами. Широко использовался во время Великой Отечественной войны для разработки и обслуживания радиолокационного оборудования. Хотя он чрезвычайно полезен для проверки характеристик импульсных цепей, он не был откалиброван, поэтому его нельзя было использовать в качестве измерительного прибора. Однако он был полезен при построении кривых отклика цепей ПЧ и, следовательно, оказал большую помощь в их точном выравнивании.

Аллен Б. Дю Мон Лабс. сделали движущиеся пленочные камеры, в которых непрерывное движение пленки обеспечивало основу времени. Горизонтальное отклонение, вероятно, было отключено, хотя очень медленное перемещение привело бы к увеличению износа люминофора. ЭЛТ с люминофором P11 были либо стандартными, либо доступными.

ЭЛТ с длительным послесвечением, иногда используемые в осциллографах для отображения медленно изменяющихся сигналов или однократных событий, использовали люминофор, такой как P7, который состоял из двойного слоя. Внутренний слой светился ярко-синим светом от электронного луча, и его свет возбуждал фосфоресцирующий «внешний» слой, непосредственно видимый внутри оболочки (колбы). Последний сохранял свет и испускал его желтоватым свечением с затухающей яркостью в течение десятков секунд. Этот тип люминофора также использовался в радиолокационных аналоговых ЭЛТ-дисплеях PPI, которые являются графическим украшением (вращающейся радиальной световой полосой) в некоторых сценах телевизионных сводок погоды.

Схема развертки [ править ]

Изменилась технология горизонтальной развертки, той части осциллографа, которая создает горизонтальную ось времени.

Синхронизированная развертка [ править ]

Ранние осциллографы использовали синхронизированный генератор пилообразных сигналов для определения оси времени. Пила будет получена путем зарядки конденсатора относительно постоянным током; это создаст возрастающее напряжение. Возрастающее напряжение будет подаваться на горизонтальные отклоняющие пластины для создания развертки. Повышающееся напряжение также будет подаваться на компаратор; когда конденсатор достигнет определенного уровня, конденсатор будет разряжен, кривая вернется влево, а конденсатор (и развертка) начнет новый переход. Оператор будет регулировать ток зарядки так, чтобы генератор пилы имел немного больший период, чем кратный сигналу вертикальной оси. Например, при просмотре синусоиды 1 кГц (период 1 мс) оператор может настроить горизонтальную частоту чуть более 5 мс.

Если бы входной сигнал присутствовал, результирующий дисплей не был бы стабильным при свободной частоте горизонтальной развертки, потому что он не был подмножеством входного (вертикальная ось) сигнала. Чтобы исправить это, генератор развертки будет синхронизироваться путем добавления масштабированной версии входного сигнала в компаратор генератора развертки. Добавленный сигнал заставит компаратор отключиться немного раньше и, таким образом, синхронизировать его с входным сигналом. Оператор мог регулировать уровень синхронизации; для некоторых конструкций оператор может выбирать полярность. ^[13] Генератор развертки отключит (так называемое гашение) луч во время обратного хода. ^[14]

Результирующая скорость горизонтальной развертки не была откалибрована, поскольку скорость развертки регулировалась изменением наклона генератора пилообразного сигнала. Время на деление на дисплее зависело от частоты свободного хода развертки и регулировки усиления по горизонтали.

Осциллограф с синхронизированной разверткой не может отображать непериодический сигнал, поскольку не может синхронизировать генератор развертки с этим сигналом. Горизонтальные цепи часто связаны по переменному току

Развертка по триггеру [ править ]

Во время Второй мировой войны несколько осциллографов, использовавшихся для разработки радаров (и несколько лабораторных осциллографов), имели так называемую управляемую развертку. Эти схемы развертки оставались бездействующими с отключенным лучом ЭЛТ до тех пор, пока управляющий импульс от внешнего устройства не отключил ЭЛТ и не запустил горизонтальную трассу с постоянной скоростью; калиброванная скорость позволяла измерять временные интервалы. Когда развертка была завершена, схема развертки заглушила ЭЛТ (выключила луч), сбросила себя и ждала следующего импульса возбуждения. Осциллограф Dumont 248, выпускаемый в 1945 году, имел эту особенность.

Осциллографы стали гораздо более полезным инструментом в 1946 году, когда Говард Воллум и Мелвин Джек Мердок представили осциллограф с синхронизацией и разверткой Tektronix Model 511 . Ховард Воллум впервые увидел использование этой технологии в Германии. Запущенная развертка имеет схему, которая формирует управляющий импульс ведомой развертки из входного сигнала.

Запуск позволяет постоянно отображать повторяющуюся форму сигнала, поскольку несколько повторов формы волны отображаются на одной и той же кривой на люминофорном экране. Запуск развертки поддерживает калибровку скорости развертки, позволяя измерять свойства формы волны, такие как частота, фаза, время нарастания и другие, которые в противном случае были бы невозможны. ^[15] Кроме того, запуск может происходить с различными интервалами, поэтому нет требования, чтобы входной сигнал был периодическим.

Осциллографы с синхронизацией развертки сравнивают сигнал вертикального отклонения (или скорость изменения сигнала) с регулируемым порогом, называемым уровнем запуска. Кроме того, триггерные схемы также распознают направление наклона вертикального сигнала, когда он пересекает пороговое значение, независимо от того, является ли вертикальный сигнал положительным или отрицательным при пересечении. Это называется полярностью триггера. Когда вертикальный сигнал пересекает установленный уровень запуска в желаемом направлении, схема запуска освобождает ЭЛТ и запускает точную линейную развертку. После завершения горизонтальной развертки следующая развертка произойдет, когда сигнал снова пересечет пороговое значение триггера.

Разновидности осциллографов с синхронизацией развертки включают модели, предлагаемые с ЭЛТ, использующими люминофоры с длительным послесвечением , такие как тип P7. Эти осциллографы использовались в приложениях, где скорость горизонтальной трассировки была очень низкой или между развертками была большая задержка, чтобы обеспечить постоянное изображение на экране. Осциллографы без развертки с запуском также можно было бы дооснастить с разверткой с запуском, используя твердотельную схему, разработанную Гарри Гарландом и Роджером Меленом в 1971 году ^[16].

Поскольку осциллографы со временем становятся все более мощными, расширенные возможности запуска позволяют захватывать и отображать более сложные формы сигналов. Например, задержка запуска - это функция большинства современных осциллографов, которую можно использовать для определения определенного периода после запуска, в течение которого осциллограф не будет запускаться снова. Это упрощает установление стабильного вида сигнала с несколькими фронтами, которые в противном случае привели бы к другому запуску.

Tektronix [ править ]

Воллум и Мердок основали компанию Tektronix , первого производителя калиброванных осциллографов (которые включали сетку на экран и создавали графики с калиброванными шкалами по осям экрана). ^{[ необходима цитата ]} Более поздние разработки Tektronix включали разработку осциллографов с множеством трасс для сравнения сигналов либо с помощью временного мультиплексирования (путем прерывания или чередования трасс), либо по наличию нескольких электронных пушек в лампе. В 1963 году Tektronix представила бистабильную запоминающую трубку с прямым обзором (DVBST)., что позволило наблюдать формы одиночных импульсов, а не (как раньше) только повторяющиеся формы сигналов. Используя микроканальные пластины , различные умножители вторично-эмиссионных электронов внутри ЭЛТ и за лицевой панелью, самые современные аналоговые осциллографы (например, мейнфрейм Tek 7104) могут отображать видимые следы (или позволять фотографировать) одного - событие выстрела даже при работе на очень высокой скорости развертки. Этот осциллограф перешел на 1 ГГц.

В ламповых осциллографах производства Tektronix линия задержки вертикального усилителя представляла собой длинную рамку, L-образную из-за недостатка места, на которой находилось несколько десятков дискретных катушек индуктивности и соответствующее количество регулируемых («подстроечных») цилиндрических конденсаторов малой емкости. Эти осциллографы имели подключаемые вертикальные входные каналы. Для регулировки конденсаторов линии задержки герконовый геркон, заполненный газом высокого давления, смоченный ртутью, создавал чрезвычайно быстрорастущие импульсы, которые поступали непосредственно на более поздние ступени вертикального усилителя. При быстрой развертке любая неправильная регулировка создавала провал или выпуклость, а прикосновение к конденсатору приводило к изменению его локальной части формы волны. Регулировка конденсатора заставила его выпуклость исчезнуть. В итоге получилась плоская вершина.

В выходных каскадах на электронных лампах первых широкополосных осциллографов использовались радиопередающие лампы, но они потребляли много энергии. Пикофарады емкости относительно земли ограничивают полосу пропускания. В более совершенной конструкции, называемой распределенным усилителем , использовалось несколько ламп, но их входы (управляющие сетки) были подключены вдоль линии задержки LC с ответвлениями, поэтому входные емкости ламп стали частью линии задержки. Кроме того, их выходы (пластины / аноды) аналогичным образом были подключены к другой линии задержки с ответвлениями, ее выход питал отклоняющие пластины. Этот усилитель часто был двухтактным, поэтому было четыре линии задержки, две для входа (сетка) и две для выхода (пластина).

Цифровые осциллографы [ править ]

Первый цифровой запоминающий осциллограф (DSO) был построен компанией Nicolet Test Instrument из Мэдисона, штат Висконсин. ^{[ необходима цитата ]} Он использовал низкоскоростной аналого-цифровой преобразователь (1 МГц, 12 бит), используемый в основном для анализа вибрации и медицинского анализа. ^{[ необходима цитата ]} Первый высокоскоростной DSO (100 МГц, 8 бит) был разработан Уолтером Лекроем , который основал LeCroy Corporation в Нью-Йорке, США, после производства высокоскоростных дигитайзеров для исследовательского центра CERN в Швейцарии. LeCroy (с 2012 года Teledyne LeCroy) остается одним из трех крупнейших производителей осциллографов в мире. ^{[ необходима цитата ]}

Начиная с 1980-х годов стали преобладать цифровые осциллографы. В цифровых запоминающих осциллографах используется быстрый аналого-цифровой преобразователь и микросхемы памяти для записи и отображения цифрового представления формы сигнала, что обеспечивает гораздо большую гибкость для запуска, анализа и отображения, чем это возможно с классическим аналоговым осциллографом. В отличие от своего аналогового предшественника, цифровой запоминающий осциллограф может отображать события перед запуском, открывая новое измерение для записи редких или прерывистых событий и устранения неисправностей электронных сбоев . По состоянию на 2006 год большинство новых осциллографов (за исключением образовательных и некоторых нишевых рынков) являются цифровыми.

Цифровые осциллографы полагаются на эффективное использование установленной памяти и функций триггера: недостаточно памяти, и пользователь пропустит события, которые он хочет изучить; если у осциллографа большой объем памяти, но он не запускается должным образом, пользователю будет сложно найти событие.

DSO также привели к созданию портативных цифровых осциллографов (на фото), полезных для многих приложений тестирования и полевого обслуживания. Ручной осциллограф - это обычно осциллограф реального времени, в котором для отображения используется монохромный или цветной жидкокристаллический дисплей.

В связи с распространением ПК осциллографы на базе ПК становятся все более распространенными. Платформа ПК может быть частью автономного осциллографа или как автономный ПК в сочетании с внешним осциллографом. При использовании внешних осциллографов сигнал будет захвачен на внешнем оборудовании (которое включает аналого-цифровой преобразователь и память) и передан на компьютер, где он будет обработан и отображен.

Ссылки [ править ]

• Абрамсон, Альберт (1995), Зворыкин, пионер телевидения , University of Illinois Press, ISBN 0-252-02104-5
• Бернс, RW (1998), Телевидение: международная история формирования лет , IET, ISBN 0-85296-914-7
• Хокинс, Неемия (1917), «Глава 63: Измерение формы волны», Руководство Хокинса по электричеству , 6 (2-е изд.), Theo. Одель и Ко.
• Куларатна, Нихал (2003), «Глава 5: Основы осциллографов», Цифровые и аналоговые приборы - Испытания и измерения , Институт инженерии и технологий, ISBN 978-0-85296-999-1
• Спитцер, Фрэнк; Ховарт, Барри (1972), Принципы современного приборостроения , Нью-Йорк: Холт, Райнхарт и Уинстон, ISBN 0-03-080208-3